Secrecy Performance Analysis of Analog Cooperative Beamforming in Three-Dimensional Gaussian Distributed Wireless Sensor Networks

计算机科学 无线传感器网络 波束赋形 高斯分布 计算机网络 保密 无线 无线传感器网络中的密钥分配 拓扑(电路) 无线网络 网络拓扑 分布式计算 电信 计算机安全 工程类 物理 量子力学 电气工程
作者
Haejoon Jung,In-Ho Lee
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18 (3): 1860-1873 被引量:28
标识
DOI:10.1109/twc.2019.2897763
摘要

A wireless sensor network (WSN) refers to a network of sensor nodes that collaboratively work to sense, monitor, and control their surrounding environments. As WSNs are integrated into the Internet of Things, it is crucial to protect the network against malicious security attacks considering its wide applicability, such as military monitoring, healthcare, and civilian applications. Thus, in this paper, we consider a physical-layer security technique exploiting analog cooperative beamforming (ACB), where multiple sensor nodes create a virtual antenna array (VAA) and locally adapt their phases. As WSNs inherently have clustered topology, we model the VAA elements' locations by Gaussian distributions. The secrecy capacity of the ACB with the Gaussian-distributed elements is derived in a closed-form expression. The theoretical and numerical results indicate that the ACB-based schemes provide a better secrecy rate compared to the conventional co-located antenna array-based schemes. In addition, the ACB with Gaussian-distributed elements can better suppress side-lobe, which causes undesired information leakage to certain directions, compared to the ACB with uniformly distributed elements. Furthermore, we investigate the impacts of fading channel and phase estimation error in the ACB.

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